Physik in Bielefeld - Fakultät für Physik www.physik-in-bielefeld.de
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Physik in Bielefeld Fakultät für Physik www.physik-in-bielefeld.de
Physik für das 21. Jahrhundert – Forschen und Studieren in Bielefeld
Aufbau der Physikstudiengänge
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Universitäten entdecken neues Wissen und
gestalten damit die Zukunft. Dies gilt auch insbesondere für die Forschung an der Fakultät für
Physik der Universität Bielefeld. Sie können als Studentin oder Student der Physik ein Teil dieses
kreativen Prozesses werden. Nach einer Einführung in die notwendigen Grundlagen der Physik
werden Sie im Studium viele spannende Themen kennenlernen, die in Bielefeld bearbeitet
werden und von denen wir Ihnen in dieser Broschüre einige vorstellen möchten. Während der
Bachelorarbeit, der Masterarbeit oder der Promotion werden sie die Möglichkeit erhalten, an
solchen Themen Ihrer Wahl in einer unserer Arbeitsgruppe zu forschen. Dabei werden Sie ein
breites Spektrum von hochspannenden und aktuellen physikalischen Fragestellungen vorfinden.
Beispielhaft kann hier der Aufbau der Elementarteilchen zu genannt werden, wie sie miteinander
reagieren und welche Rolle sie zum Beispiel im frühen Universum gespielt haben. Dies wird mit
Mitteln der Quantenfeldtheorie untersucht. Dazu korrespondieren unsere astrophysikalischen
Forschungen zur Kosmologie des frühen Universums insbesondere zur Phase der Inflation, in der
sich das Universum enorm aufgebläht hat und von Verletzungen von Symmetrien begleitet
werden. Darunter fallen beispielsweise das Verschwinden der Antimaterie oder die (momentan
noch unverstandene) Existenz dunkler Materie und Energie. In der Festkörperphysik spielen
Quantenphänomene eine dominierende Rolle in neuen Materialen. Wir untersuchen topologische
Isolatoren, in denen sich Elektronen ihrem magnetischen Moment entsprechend bewegen und
spintronische Systeme für zukünftige Anwendungen in Speichersystemen und
Quantencomputern. Räumlich und zeitlich superhochauflösende optische Methoden im
Nanometerbereich für biomedizinische Anwendungen und zur Materialuntersuchung,
Fragestellungen der molekularen Biophysik und das Studium von zweidimensionalen
Materialien und atomar dünne Membranen runden das vielfältige Forschungsspektrum der
Physik in Bielefeld ab. Davon erfahren Sie in diesem Heft mehr. Drei Beiträge im Heft sind auf
Englisch verfasst, was auch dokumentiert, dass Sie in höheren Semestern auch englischsprachige
Veranstaltungen besuchen können. Das Studium an unserer Fakultät ist neben der fachlichen
Vielfalt durch eine sehr gute Betreuungsrelation gekennzeichnet. 18 Professorinnen und
Professoren sowie ihre Mitarbeiter begleiten Sie in Vorlesungen, Übungen, Praktika und
Seminaren und insbesondere in den Arbeitsgruppen auf Ihrem Karriereweg. Übungsgruppen und
Seminare haben in der Regel nicht mehr als 20 Teilnehmer und unsere Türen stehen Ihnen bei
allen Problemen offen. Oft finden unsere Forschungen in internationalen Kontexten statt, die es
Ihnen erlauben werden, ins Ausland zu gehen, und das auch schon vor der Promotion. Und die
späteren Berufsaussichten? Sind phänomenal. Fragen Sie uns!
Prof. Dr. Dario Anselmetti hat Physik an der Universität Basel
Physik können Sie in mehreren Ausrichtungen studieren, z.B. als Lehramtsstudium, mit studiert, wo er auch im Jahr 1990 auf dem Gebiet der Nanowissen-
Spezialisierungen oder ganz klassisch Physik. Allen gemein ist, dass das Bachelorstudium drei schaften promovierte. Nach einem Forschungsaufenthalt am IBM-
Jahre dauert. Es umfasst Mathematik als wichtige Grundlage sowie grundlegende physikalische Forschungslabor in Rüschlikon und einer mehrjährigen Tätigkeit
Themen wie Mechanik und Quantenmechanik. Das anschließende Masterstudium dauert zwei in der Industrie, wechselte er im Jahr 2000 an die Universität
Jahre und beinhaltet fortgeschrittene Themen. Praktisch alle unsere Studierenden durchlaufen Bielefeld, wo er seither auf dem Gebiet der Experimentalphysik
beide Abschnitte, mehr als jeder dritte Masterabsolvent promoviert anschließend auch. mit besonderem Schwerpunkt auf Biologischer Physik und Nano-
Weitergehende Informationen finden sie auf unseren Webseiten. Sie können uns auch jederzeit wissenschaften lehrt und forscht. Dario Anselmetti ist Initiator des
anschreiben. Schülerlabors teutolab-PHYSIK, Gründungsmitglied des Bielefeld
Institute for Biophysics and Nanosciences und ordentliches
Mitglied der Nordrhein-Westfälischen Akademie für
Wissenschaften und Künste.
Dr. Beate West hat nach ihrem Physikstudium in theoretischer Physik
promoviert. Heute arbeitet sie als Entwicklungsingenieurin und
Absolventen der Physik und ihre heutigen Berufe Projektleiterin bei einem Kabelhersteller. Sie ist für die Auslegung
supraleitender Kabelsysteme und Strombegrenzer verantwortlich.
Jonas Korenke arbeitet seit dem Physikstudium bei der Unter- Zusätzlich betreut sie die Fertigung der supraleitenden Kabel. Viele
nehmensberatung d-fine. Dort wendet er erlernte Fähigkeiten, z.B. Inhalte aus dem Physik-Studium kann sie in ihrem Beruf anwenden,
bei der mathematischen Modellierung von Risiken und der vor allem aber das systematische Denken.
Verarbeitung von großen Datenmengen, im Projektalltag bei Banken
an. Seine Tätigkeiten reichen von der theoretischer Lösungs-
konzeption bis zur programmiertechnischen Umsetzung. Da jedes Dr. Torsten Hübner hat an der Fakultät für Physik in Bielefeld
Unternehmen ganz individuelle Anforderungen und verschiedene studiert und im Anschluss in experimenteller Physik promoviert. Sein
Systeme besitzt, sind nicht nur analytische und technologische Arbeitgeber ist ein mittelständisches Unternehmen, das sich auf die
Fähigkeiten wichtig, sondern auch eine strukturierte Heran- Lecksuche spezialisiert hat. Als Ingenieur in der Forschungsabteilung
gehensweise an komplexe Probleme. Das Physikstudium hat Jonas ist es seine Aufgabe neue Technologien für die Lecksuche an
ideal auf diese abwechslungsreichen Herausforderungen vorbereitet. Erdgasleitungen, Wasserleitungen oder auch an Biogasanlagen zu
erforschen. Er findet, dass das Studium der Physik in Bielefeld durch
die vermittelten Kenntnisse und Fähigkeiten eine ideale Vorbereitung
Aise Ehren arbeitet in der IT-Abteilung (Data Intelligence) einer für das industrielle als auch das wissenschaftliche Arbeitsleben ist.
Dienstleistungsfirma. Dort werden große Datenmengen strukturiert,
um wichtige Informationen für ein Unternehmen transparent zu
machen. Sie arbeitet täglich mit einer Datenbank und entwickelt Dr. Mareike Dieding hat in experimenteller Physik promoviert und
verschiedene Datenstrukturen mit Hilfe von Sprachen wie SQL oder arbeitet aktuell am Franziskus-Hospital Bielefeld als Medizin-
LUA. Mit Hilfe dieser Daten können insbesondere Logistikprozesse, physikerin. Sie ist dort in der Strahlentherapie für die Qualitäts-
z.B. Online-Bestellungen, optimiert werden. Durch das sicherung am Linearbeschleuniger verantwortlich. Außerdem erstellt
Physikstudium hat sie gelernt, komplexe Aufgaben einfach und sie computergestützte Bestrahlungspläne, mit denen Krebspatienten
zielorientiert zu lösen. „Diese Problemlösungskompetenz vereinfacht behandelt werden. Die in ihrem Studium erworbene analytische
mir meinen Berufsalltag, da sie auch eine wichtige Komponente in der Herangehensweise kann sie bei der Erstellung und Beurteilung von
IT ist.“ Bestrahlungsplänen anwenden. Ihre Laborerfahrung aus der
Promotion hilft ihr in ihrem täglichen Umgang mit Messmitteln.
Dr. Martin Höck hat in Bielefeld Physik studiert und in
theoretischer Physik promoviert. Er arbeitet für einen Produzenten
optischer Messtechnik. Als Entwicklungsingenieur und C++-
Dr. Jan Regtmeier hat in Bielefeld Physik studiert und in der
Spezialist programmiert er Algorithmen für Messsysteme, mit
experimentellen Biophysik promoviert. Er arbeitet heute als Bereichsleiter
denen z.B. in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sichergestellt
bei einem großen mittelständischen Unternehmen (Harting Electric
wird, dass Biegebauteile den hohen Qualitätsanforderungen
GmbH), das auf Steckverbinder und moderne Connectivity Lösungen
genügen. Neben der Programmiererfahrung aus dem Studium
spezialisiert ist. Im Unternehmen ist er für den Aufbau eines neuen
profitiert er dabei vor allem von den erworbenen methodischen und
Geschäftsfeldes verantwortlich. Er profitiert vom Physikstudium vor
mathematischen Kenntnissen. An seiner Arbeit fasziniert ihn, dass
allem durch das analytische Denken, die Fähigkeit sich schnell in neue
die Messsysteme in Kombination mit geeigneter Software in
Themen einarbeiten zu können und durch ein solides Grundverständnis
Sekundenschnelle die Qualität realer Bauteile bewerten können.
von physikalischen Grundlagen der Messtechnik und Datenverarbeitung.
Unsere Physik-Absolventen arbeiten u.a. in folgenden Firmen: Airbus, Beckhoff, Boge, Dekra,
d-fine, dSPACE, Elastogran, Gildemeister, Harting, Helaba, itelligence, KME, LaVision-Biotec,
Lufthansa Systems, McKinsey, Miele, Philipps Research, Plasmidfactory, Reply, Rosen, TÜV
Nord, Zeiss sowie an Berufs-, Grund-, Haupt-, Real-, Gesamtschulen und Gymnasien.
Warum gibt es etwas und nicht nichts?
Gäbe es gleich viel Materie und Antimaterie, würden diese sich gegenseitig zerstrahlen. Das
Universum bestände dann nur aus Licht, und es gäbe keine Materie. Experimentell findet man
aber etwas mehr Materie als Antimaterie, d.h. nicht alles zerstrahlt, sondern es bleibt
etwas übrig. Aus diesem etwas bestehen wir.
Damit liegt die Frage nahe, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt. War das von Anfang
an so, d.h. seit dem Urknall? Es gibt gute Gründe anzunehmen, dass diese Ungleichheit erst
danach entstanden ist, durch physikalische Prozesse, die wir verstehen und erforschen können.
Daher untersuchen wir Prozesse, die möglicherweise im frühen Universum stattgefunden haben
und berechnen, ob und wieviel mehr Materie als Antimaterie entstanden ist.
Wir berechnen diese Prozesse mit Hilfe der
Quantenfeldtheorie. Diese beschreibt die
Physik der Quanten im Einklang mit der
Relativitätstheorie Einsteins. Einerseits ist dies
eine sehr abstrakte Theorie, andererseits lassen
sich damit Prozesse mit Hilfe von Feynman-
Diagrammen, wie dem abgebildeten,
anschaulich beschreiben.
Viele Aspekte der Quantenfeldtheorie sind Gegenstand aktueller Forschung. Bei uns bekommen
Sie den Einstieg in dieses faszinierende Gebiet im ersten Semester des Masterstudiums.
Prof. Dr. Dietrich Bödeker hat Physik an der Universität
Hannover studiert, ging dann ans DESY und hat an der
Universität Hamburg promoviert. Sein Weg führte ihn über
Minneapolis, Heidelberg, Kopenhagen und Brookhaven nach
Bielefeld.
Er beschäftigt sich hier mit Grundlagenfragen der
Elementarteilchenphysik.
Teilchenspuren in einer Blasenkammeraufnahme: Teilchen und Antiteilchen bewegen sich
auf entgegengesetzt gekrümmten Bahnen im Magnetfeld.
CERN
Nanomembranen aus Molekülen: Oberflächenphysik hebt ab
In unserer Arbeitsgruppe „Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen“ wird ein experi-
menteller Zugang zur Untersuchung von atomaren und molekularen Prozessen auf Oberflächen
gewählt. Ein zentrales Forschungsfeld ist die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung
von neuartigen zweidimensionalen Materialien: Kohlenstoff-Nanomembranen (engl.: Carbon
Nanomembranes, CNMs) und Graphen. CNMs und Graphen werden durch von der
Arbeitsgruppe entwickelte Verfahren, bei denen organische Moleküle zunächst auf
Metalloberflächen aufgebracht und dann miteinander verknüpft werden, hergestellt. Die
entstehenden zweidimensionalen Schichten können von der Oberfläche abgehoben und als
freitragende Nanomembranen mit einer Dicke von 1 nm (1 Nanometer) oder als freitragende
Graphenschicht mit einer Dicke von 0.3 nm (1 Atomlage) präpariert werden.
CNMs und Graphen gehören damit zu den „dünnsten“ Materialien überhaupt. Dennoch sind sie
mechanisch sehr stabil und eignen sich für technische Anwendungen. Ein wichtiges Ziel unserer
Forschung ist die Weiterentwicklung von CNMs als maßgeschneiderte Filter für Flüssigkeiten
oder Gase. Die CNM soll dabei konkrete Trennaufgaben, wie die Entsalzung und Reinigung von
Wasser oder die Abtrennung von Kohlendioxid aus Verbrennungsabgasen, erfüllen. Zur
Erreichung dieser wirtschaftlich und ökologisch wichtigen Ziele wurde von Mitgliedern der
Arbeitsgruppe eine Start-Up-Firma ausgegründet, die sich mit der praktischen Realisierung von
CNM basierter Wasser- und Gasreinigung beschäftigt. Zukünftige CNM-Anwendungen liegen
auch in der Elektronik. Kleinste elektronische und optische Bauteile, Kondensatoren, Sensoren
und optische Filter, lassen sich aus CNMs und Graphen herstellen.
Die Arbeitsgruppe „Physik supramolekularer Systeme und Oberflächen“ verwendet modernste
wissenschaftliche Instrumente, die es erlauben, das Verhalten von Atomen und Molekülen auf
Oberflächen im Detail zu beobachten. Besonders hervorzuheben ist ein Helium-Ionen-
Mikroskop, welches die Universität Bielefeld als Erste in Deutschland betreibt. Darüber hinaus
stehen Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskope zur Aufnahme von atomar aufgelösten Bildern
sowie ein Röntgenphotoelektronen-Spektrometer zur Analyse der Zusammensetzung von
Oberflächenschichten zur Verfügung. Reinraum, Nanolithographie und Präparationslabors
ergänzen die experimentelle Ausstattung zur Optimierung von CNMs.
Prof. Dr. Armin Gölzhäuser promovierte 1993 an der
Universität Heidelberg. Danach ging er mit einem Feodor
Lynen Stipendium für drei Jahre an die University of Illinois
at Urbana-Champaign (USA). Im Jahr 2001 habilitierte er sich
in Heidelberg und ist seit 2003 Professor für Physik an der
Universität Bielefeld. Seine Forschung konzentriert sich auf
die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von
niedrigdimensionalen Nanostrukturen und funktionellen
Materialien.
Lehramt Physik studieren in Bielefeld - was erwartet mich?
Als Physiklehrerin oder -lehrer haben Sie beste Berufschancen, denn Physik ist nach wie vor
Mangelfach an allen Schulformen!
In Bielefeld können Sie Physik mit dem Ziel Lehramt an Gymnasium/Gesamtschule und Lehramt
an Haupt-, Real-, Sekundar- und Gesamtschule studieren. Sie erhalten eine gründliche fachliche
und fachdidaktische Ausbildung im Fach Physik. Dazu kommt natürlich noch das Studium eines
weiteren Fachs und der Bildungswissenschaften. Auch an der Ausbildung von angehenden
Grundschullehrerinnen und -lehrern des Fachs Sachunterricht ist die Fakultät für Physik beteiligt.
Entsprechend der zentralen Bedeutung des Experiments im Physikunterricht liegt der
Schwerpunkt unseres Bereichs „Physik und ihre Didaktik“ in Lehre und Forschung für alle
Schulformen auf dem Experimentieren. Bei uns lernen Sie z. B., wie man Experimente didaktisch
und physikalisch sinnvoll durchführt und in den Unterricht einbaut und wie man Schülerinnen
und Schüler zu eigenem Experimentieren und Forschen motiviert. Schon während des Studiums
haben sie vielfältige Gelegenheit, mit Schülergruppen zu experimentieren und dabei die eigenen
Fähigkeiten zu erproben und zu optimieren.
Selbstverständlich haben Sie auch die Gelegenheit – zum Beispiel im Rahmen von Ab-
schlussarbeiten – neue Experimente und Experimentierideen für den Unterricht zu entwickeln
und auszuprobieren. Essentiell wichtig ist uns dabei die Anknüpfung an Alltag und Erlebniswelt
der Schülerinnen und Schüler, der Einsatz moderner Medien sowie der Schuletat: Welche
Experimente sind preiswert umsetzbar?
Natürlich vermitteln wir auch andere relevante fachdidaktisch/methodische Grundlagen. Ein
weiterer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt dabei in der Untersuchung von physikalischen
Präkonzepten/Fehlvorstellungen bei Schülerinnen, Schülern und auch Studierenden. Solche,
häufig aus dem Alltag übernommenen Vorstellungen beeinflussen den Lernerfolg in Physik und
müssen daher den Lehrenden bekannt sein, so dass angemessen darauf reagiert werden kann. Sie
erhalten schon während des Studiums die Gelegenheit, solche Fehlvorstellungen von
Schülerinnen und Schülern zu untersuchen, zum Beispiel in den verschiedenen Praktika oder den
Abschlussarbeiten.
Prof. Dr. Bärbel Fromme (Physik und ihre Didaktik) hat
Physik für Diplom und Lehramt Physik/Mathematik an der
Universität Bielefeld studiert und dort auch promoviert. An
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hat sie sich in
Experimentalphysik habilitiert. Seit 2001 arbeitet sie in der
physikdidaktischen Ausbildung von Lehramtsstudierenden.
Spinelektronik
Elektronen tragen eine elektrische Elementarladung – das wissen fast alle. Dass diese Teilchen
aber auch einen Drehimpuls – den Spin – haben, ist schon weniger bekannt, obwohl dieser das
magnetische Moment und Phänomene wie Ferromagnetismus verursacht. Das ist aber noch nicht
alles: Spin und Bahn des Elektrons sind über die Spin-Bahn-Wechselwirkung gekoppelt. Im
Extremfall kann dies dazu führen, dass sich Elektronen nur in eine Richtung bewegen können,
die vom Spin vorgegeben wird. Das gibt es z.B. bei den Topologischen Isolatoren. Allgemein
gilt, dass alle Eigenschaften eines Festkörpers wie elektrischer Widerstand, Wärmeleitfähigkeit,
Magnetowiderstand und thermoelektrische Effekte von der Spin-Bahn-Wechselwirkung
beeinflusst werden. Unsere Gruppe „Dünne Schichten und Physik der Nanostrukturen“ befasst
sich mit solchen Phänomenen, z.B. bei der Kombination von Topologischen Isolatoren mit
Supraleitern in SQUIDS, wo der Topologische Isolator bei tiefsten Temperaturen auch
supraleitend wird und der Josephson-Strom Fraunhofer-Oszillationen zeigt.
Spinabhängige Transporteigenschaften können aber auch zu interessanten Anwendungen führen:
Für Datenspeicher ist der Spin-Transfer-Torque-Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff (STT-
MRAM) eine vielversprechende Perspektive, um die Vorteile schnellen Zugriffs und hoher
Schreibgeschwindigkeit mit dauerhafter Datenspeicherung zu kombinieren. Dazu untersuchen
und optimieren wir neue Materialien und integrieren diese mit moderner Mikro- und
Kombinierte Sputter- und Molekularstrahlanlage der Arbeitsgruppe Reiss: mit dieser Anlage Nanostrukturierung in Bauelemente. Wir folgen dabei dem Konzept des „Integrated
können dünne Schichten aus verschiedenen Materialien atomlagengenau hergestellt werden. Computational Materials Engineering“, bei dem Eigenschaften neuer Materialien theoretisch
modelliert und dann experimentell verifiziert werden. Dazu führen wir viele Messungen an
Synchrotron-Strahlungsquellen aus und kooperieren mit Forschungsinstituten in Europa, Japan,
Korea und USA. Als Ergebnis entstehen z.B. magnetische Tunnelelemente die als Speicher,
Daten-Leseköpfe oder Sensoren verwendet werden.
Rasterelektronenmikroskop-Bild eines Mikro-
SQUIDs (Superconducting Quantum Interference
Device) aus dem Supraleiter Nb (graue Linien) und
der darunter liegenden Schicht aus dem Prof. Dr. Günter Reiss hat in Regensburg Physik studiert
topologischen Isolator SnTe. An solchen SQUIDs und in experimenteller Festkörperphysik promoviert. Seine
können Quantenoszillationen gemessen werden, die Forschung zur Verbindung zwischen Magnetismus und
auf neue Teilchenzustände schließen lassen. elektrischem Transport reicht von grundlegenden Effekten
bis zu neuen Datenspeichern und Sensoren.
Molekulare magnetische Speicher, Qubits und Kühlschränke
Viele moderne Konzepte der theoretischen Physik werden mit Hilfe von Quantenspinsystemen
verwirklicht. Dazu gehören die Untersuchung von Quantenphasenübergängen genauso wie das
Studium kohärenter quantenmechanischer Zeitentwicklungen für zukünftige Quanten-computer.
Möglich macht dies die fundmentale Eigenschaft elementarer Teilchen, einen intrinsischen
quantenmechanischen Drehimpuls zu tragen, den Spin. Aus der Wechselwirkung dieser Spins
untereinander und mit den sogenannten Bahndrehimpulsen entstehen alle magnetischen
Phänomene, die wir kennen. Moderne Forschungen zielen darauf ab, diese Wechselwirkungen
in Materialien so zu gestalten, dass bestimmte Phänomene erst möglich werden.
Quantenphasenübergänge zum Beispiel treten auf, wenn sich die Eigenschaften des
magnetischen Materials am absoluten Temperaturnullpunkt als Funktion zum Beispiel des
angelegten Magnetfeldes oder des äußeren Drucks dramatisch ändern. Dazu muss man erreichen,
dass das quantenmechanische Energiespektrum der Substanz große Grundzustandsentartungen
aufweist. Obwohl der Quantenphasenübergang am absoluten Nullpunkt auftritt, beeinflusst er
das Verhalten der Substanz auch für höhere Temperaturen und bewirkt z.B., dass die Substanz
große Temperaturänderungen erfährt, wenn Magnetfeld oder Druck variiert werden. Daraus kann
man moderne Kühlmittel entwickeln.
In unserer Theoriegruppe berechnen wir dieses Verhalten auf Supercomputern wie dem
SuperMuc NG in Garching. In massiv parallelisierten Programmen werden die physikalischen
Eigenschaften aus Matrizen und Vektoren berechnet, die lineare Dimensionen von 1010 erreichen
und über Tausende Cores verteilt sind. Neben den physikalischen Grundlagen lernen Sie deshalb
bei uns auch Methoden des Supercomputing und nutzen weltweit führende Superrechner.
Prof. Dr. Jürgen Schnack hat Physik an der TU Dresden und
der TH Darmstadt studiert und in theoretischer Kernphysik
promoviert. Er erforscht derzeit den Magnetismus von
Quantenspinsystemen, die zum Beispiel magnetische
Moleküle beschreiben. Solche Systeme können molekulare
Realisierungen von Speicherbits oder Qubits sein und auch zu
neuen Kühlmitteln führen, mit denen Temperaturen unterhalb
eines Kelvins erreicht werden können.
Kosmische Prinzipien, Geschwindigkeiten und Radiowellen
Die Kosmologie beschäftigt sich mit der Entstehung und Entwicklung des Universums. In
Bielefeld untersuchen wir, woraus das Universum besteht und wie kosmische Strukturen, z.B.
Galaxien, entstehen. Eine wichtige Rolle spielt das sogenannte kosmologische Prinzip. Es besagt,
dass das Universum für alle Beobachter, egal wer sie sind, wo sie leben und wohin sie schauen,
gleich ist. Zum Beispiel könnte eine Beobachterin auf einer anderen Welt zwei Monde um ihren
Heimatplaneten kreisen sehen, aber die Wahrscheinlichkeit, in einem erdartigen System zu leben,
ist nach dem kosmologischen Prinzip überall gleich, das heißt, sie sollte die gleichen statistischen
Eigenschaften des Universums beobachten wie wir.
In Bielefeld versuchen wir durch den Vergleich von theoretischen Vorhersagen und
Beobachtungen, das kosmologische Prinzip auf Herz und Nieren zu prüfen. Dazu untersuchen
wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund, ein Relikt des Urknalls, und beobachten den
Himmel mit Hilfe von Radiowellen. Dies erlaubt uns die größten Strukturen im Universum
aufzuspüren. Eine Vorhersage des kosmologischen Prinzips ist, dass das Universum in die
Richtung, in die sich das Sonnensystem bewegt, wärmer erscheint, als in die entgegengesetzte
Richtung. Dies wird durch Effekte der Relativitätstheorie (Doppler-Effekt und Aberration)
verursacht. In der kosmischen Mikrowellenstrahlung sehen wir einen sogenannten Dipol, aus
dem wir schließen, dass das Sonnensystem mit einer Geschwindigkeit von 300 km/s durch das
Oben: Diese Karten zeigen den gesamten Himmel. Die Farbe kodiert die Zahl der Radioquellen All rast.
pro Pixel in zwei Katalogen von Radiogalaxien bei 150 MHz (TGSS, links) und 1,4 GHz (NVSS,
rechts). Die Ebene der Milchstraße und unbeobachtete Bereiche sind maskiert (grau). Unten: Die gleichen Effekte führen auch zu einer größeren Zahl von beobachteten Radiogalaxien in die
Dipol der Anzahl der Radioquellen: Die Richtungen der Dipole stimmen überein, die Stärke Richtung der Bewegung des Sonnensystems. Die Analyse von alten Daten zeigt, dass wir
nicht. Dies könnte auf bislang unentdeckte supergroße Strukturen im Universum hinweisen. tatsächlich die gleiche Richtung im Radiohimmel finden, die aus den Radiodaten gewonnene
[Siewert & Schwarz, 2018] Geschwindigkeit ist aber mit über 1200 km/s deutlich größer. Dieser Unterschied könnte auf eine
Verletzung des kosmologischen Prinzips hinweisen, oder auf supergroße, bislang unentdeckte
Strukturen im Universum. Es könnten aber auch die Beobachtungen noch unentdeckte Fehler
aufweisen. Daher arbeiten wir an einer riesigen Himmelsdurchmusterung mit dem Radioteleskop
LOFAR. Der erste Katalog, der im Frühjahr 2018 veröffentlicht wird, kartiert rund 400
Prof. Dr. Dominik Schwarz hat Technische Physik an der TU Quadratgrad des Nordhimmels und enthält in etwa 350.000 Radioquellen. In den nächsten Jahren
Wien studiert und dort auch promoviert. Im Anschluss war er soll mit LOFAR der gesamte Nordhimmel kartiert werden, und wir werden dann rund 16
u.a. an der ETH-Zürich, der J.W.-Goethe-Universität Millionen Radiogalaxien gefunden haben (derzeit kennen wir rund eine Million). Wir erhoffen
Frankfurt a.M. und am Europäischen Kernforschungszentrum uns durch diesen Katalog, den wir LoTSS (Lofar Two-metre Sky Survey) nennen, eine deutlich
CERN in Genf tätig. Seit 2004 forscht er in Bielefeld. Seine genauere Messung des Radiodipols, womit wir die Gültigkeit des kosmologischen Prinzips
Arbeitsgruppe betreibt, gemeinsam mit der Sternwarte genauer prüfen können.
Hamburg, eine Station des Internationalen LOFAR Teleskops,
dem derzeit weltgrößten Radioteleskop. Die Arbeitsgruppe Kosmologie und Astroteilchenphysik ist in die Graduiertenschule „Models of
Gravity“ Bielefeld-Bremen-Hannover-Kopenhagen-Oldenburg und in den Sonderforschungs-
bereich „Strong-interaction matter under extreme conditions“ Bielefeld-Darmstadt-Frankfurt
a.M. eingebunden. Wir koordinieren ein Verbundforschungsprojekt des BMBF zum MeerKAT-
Teleskop in Südafrika, sind am International LOFAR Teleskop beteiligt und kooperieren eng mit
dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.
Schneller, präziser, empfindlicher: mit Optik einzelne Viren sichtbar
machen
Bei jedem Besuch beim Arzt begegnet man einer großen Zahl von Geräten, die von Physikern
erfunden und entwickelt wurden, z.B. Blutdruckmessgeräten, Waagen, Thermometern,
Ultraschallgeräten oder optischen Mikroskopen. Mikroskope sind jedoch in ihrer Auflösung
durch die Wellenlänge eingeschränkt, weshalb wir mit optischen Mikroskopen bestenfalls
Strukturen mit einer Größe von ¼ Mikrometer unterscheiden können. Die meisten Viren sind
jedoch viel kleiner. Daher kennen wir heute die Form und das Aussehen von Viren nur, da sie
mit der extrem hohen Auflösung von Elektronenmikroskopen sichtbar gemacht werden können.
Die Diagnose einer viralen Infektion könnte also relativ einfach sein, wenn man nur ein
hochauflösendes Bild eines Virus „sehen“ könnte. Da dies jedoch aufgrund der Kosten und des
Zeitaufwands in Arztpraxen nicht möglich ist, dauert es auch heute immer noch recht lange, bis
man weiß, welches Virus oder Bakterium einen krank macht und bis eine gezielte Behandlung
stattfinden kann.
In der Arbeitsgruppe „Biomolekulare Photonik“ werden neueste photonische Verfahren
entwickelt, um die Auflösung der optischen Mikroskopie in den Bereich der
Elektronenmikroskopie zu bringen und damit „alltagstauglich“ zu machen. Hauptmerkmale
dabei sind die Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der kleinste Objekte mit höchster Auflösung
und höchster Empfindlichkeit abgebildet und verfolgt werden können. Dabei ist es uns bereits
gelungen, z.B. Nanoporen in Zellen der Innenwand von Arterien oder Viren, wie das Virus HIV-
1 in menschlichen Immunzellen (siehe Bild), mit bis zu 63 hochaufgelösten Bildern pro Sekunde
sichtbar zu machen. Einzigartig in der Bielefelder Arbeitsgruppe ist, dass sie mit modernsten
Hardware- und Software-Verfahren, z.B. durch konsequentes Ausnutzen von Parallelrechner-
Architekturen (Graphikkarten), die Rekonstruktion der Bilddaten in Echtzeit durchführen kann.
Sequentiell dauert es mehrere Minuten, bis ein hochauflösendes Bild dargestellt werden kann.
Unsere Gruppe arbeitet eng mit Biomedizinern und Physikern in der gesamten Welt zusammen
(Europäisches Institut für molekulare Bildgebung EIMI in Münster, Infektionsmedizin am Mt.
Sinai Institut für Medizin in New York, medizinische Biologie in Tromsø, der Hong-Kong-
Universität, oder dem geriatrischen Cera Institut in Sydney, Australien).
Hochauflösendes Fluoreszenzmikroskopie-Bild einer mit HIV-1 infizierten menschlichen T-
Zelle (grau, Bildmitte), die HIV-1 Viren (rosa) an primäre T-Zellen überträgt (kleine Zellen
links und rechts). Die Zellkerne der Zellen sind blau angefärbt. Die Zelle am linken unteren Prof. Dr. Thomas Huser hat Physik an der Universität
Bildrand ist bereits von der Zelle in der Mitte infiziert worden. Insbesondere am Kontaktbereich Basel (Schweiz) studiert und in experimenteller
der beiden Zellen erkennt man eine intensive Anlagerung von neuen HIV-1 Viren. Der weiße Festkörperphysik promoviert. Er war nach der
Strich am rechten unteren Bildrand markiert eine Breite von 5 µm. Promotion für 13 Jahre an verschiedenen Stellen in
Kalifornien (USA) tätig, wo er sich auf den Bereich
Biophotonik spezialisierte. Derzeit forscht er an der
Entwicklung neuer bildgebender optischer Methoden
mit denen auf möglichst schonende (nichtinvasive)
Weise die Prozesse des Lebens in einzelnen Zellen
untersucht werden können.Verknüpfungen zwischen makroskopischer und mikroskopischer Welt
Die grundlegenden Gesetze der Physik sind in der Sprache der Quantenmechanik formuliert und
beschreiben das Verhalten von mikroskopisch kleinen Teilchen, wie z.B. Atomen und Molekülen
oder Elektronen und Kernen. Vom Menschen im Alltag direkt wahrnehmbar sind dagegen nur
makroskopische Strukturen und Vorgänge, bei denen eine riesige Anzahl einzelner Atome oder
Moleküle beteiligt ist. Viele dieser ganz alltäglichen Erfahrungstatsachen lassen sich aber nicht
ohne Weiteres auf die ihnen zugrunde liegenden mikroskopischen Grundgesetze zurückführen
oder scheinen ihnen auf den ersten Blick sogar zu widersprechen.
Stellen wir uns z.B. ein idealisiertes Billardspiel vor, ohne jegliche Energieverluste bei Stößen
der Kugeln untereinander oder mit den Banden und ohne jegliche Abbremsung durch den
Billardteppich oder den Luftwiderstand. Einmal angestoßen, kämen die Kugeln dann nie mehr
zur Ruhe und wenn man ihre Bewegung filmen würde, dann wäre es für einen Zuschauer
prinzipiell unmöglich zu merken, wenn ihm dieser Film heimlich rückwärts vorgeführt würde:
sowohl die Vorgänge im vorwärts als auch die im rückwärts ablaufenden Film könnten
tatsächlich so stattgefunden haben. Genau diese Zeitumkehrsymmetrie gilt auch für die
mikroskopischen Grundgesetze der Quantenphysik.1 Dagegen sind die meisten vom Menschen
direkt wahrnehmbaren (makroskopischen) Vorgänge scheinbar offensichtlich unumkehrbar: Das
Zerbrechen einer Tasse, die Bewegungen der Kugeln bei einem realen Billardspiel usw.. Wie
können sich solche irreversiblen Vorgänge aus ursprünglich streng reversiblen Grundgesetzen
ergeben?
Für unsere zweite Überlegung kann wieder ein Billardspiel als Ausgangspunkt dienen, bei dem
es darum geht, in einer schwierigen Situation mittels mehrerer Stöße mit den Banden und mit
Künstlerische Darstellung der atomaren Struktur einer dünnen Kohlenstoffschicht (SLAC anderen Kugeln zum Erfolg zu kommen: Schon die kleinste Ungenauigkeit beim Anstoßen der
National Accelerator Laboratory, Stanford, USA), die von einem Laserpuls schlagartig von ersten Kugel führt dazu, dass die letzte Kugel ihr Ziel weit verfehlt. Eine solches sehr schnelles
Raumtemperatur auf ca. 2000 Grad Celsius erhitzt wird. Die kleine Graphik zeigt als Kurve die (exponentielles) Anwachsen einer kleinen anfänglichen Abweichung wird als chaotische
Voraussage unserer Theorie, wie das System im Verlauf der Zeit (fs=Femtosekunden) ins Dynamik oder kurz als Chaos bezeichnet. Auch eine mikroskopische Dynamik, bei der
Gleichgewicht zurückfindet. Dabei wird mit den experimentellen Datenpunkten eine sehr gute hinreichend viele Teilchen (Atome, Moleküle usw.) beteiligt sind, ist praktisch immer chaotisch.
Übereinstimmung erzielt. Zwei Vorgänge mit minimal unterschiedlichen Anfangsbedingungen verlieren daher nach kurzer
Zeit praktisch jegliche Ähnlichkeit zueinander. Bei der Wiederholung eines realen Experiments
sind solche anfänglichen Unterschiede aber unvermeidlich, da man niemals den Anfangszustand
jedes einzelnen Teilchens hinreichend genau reproduzieren kann. Wieso sind dann reale
Experimente überhaupt wiederholbar?
Prof. Dr. Peter Reimann hat an der Universität Basel studiert Solche fundamentalen Fragen sind nach vorherrschender Auffassung bis heute nicht wirklich
und in theoretischer Physik promoviert. Die anschließenden 9 zufriedenstellend beantwortet. Sie sind eines der zentralen Forschungsthemen unserer
Jahre war er u. a. an der Universität Hasselt (Belgien), an der Arbeitsgruppe. Innerhalb dieses allgemeinen Kontexts haben wir z.B. unlängst ein
Eötvös-Loránd-Universität Budapest und an der Universität quantenmechanisches "Typikalitäts-Konzept" entwickelt, mit dem sich die gesamte zeitliche
Augsburg tätig. Seit 2002 ist er Professor in Bielefeld, wo er Entwicklung für eine große Klasse makroskopischer Vorgänge ohne spezielle Annahmen
sich insbesondere mit Transportvorgängen fern vom quantitativ beschreiben lässt.
thermodynamischen Gleichgewicht, biophysikalischen Ein besonderes Merkmal dieses Forschungsgebietes ist es also, dass es von sehr grundlegenden
Fragestellungen und den Grundlagen der statistischen Physik theoretischen Fragen bis hin zu ganz konkreten experimentellen Beobachtungen und alltäglichen
beschäftigt. Erfahrungen reicht.
1
Streng genommen gibt es winzige Abweichungen im Rahmen der sog. schwachen Wechselwirkung, die aber für makroskopische
Vorgänge unmessbar klein sind.Erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält
Was passiert, wenn Materie zu so hohen Dichten komprimiert wird, dass die Kerne von Atomen
ineinander gepresst werden? Was geschieht dann mit den Protonen und Neutronen, aus denen die
Kerne aufgebaut sind?
Es ist nicht einmal 100 Jahre her, dass Protonen und Neutronen als elementare Bausteine des
Atomkerns identifiziert wurden. Danach war es noch lange unklar, wie diese Ansammlung von
Teilchen trotz der elektrischen Abstoßung der Protonen einen stabilen Kern bilden konnte. Erst
vor 50 Jahren wurde dies verstanden. Dazu war es notwendig, neue Teilchen, die Quarks und
Gluonen, als Bestandteile der Protonen und Neutronen zu postulieren. Sie formen die Basis für
die Theorie der starken Wechselwirkung. Mit ihrer Hilfe verstehen wir, dass es letztendlich die
Gluonen (abgeleitet vom englischen Wort glue=Klebstoff) sind, die dafür sorgen, dass die Kerne
von Atomen zusammenhalten.
Die Theorie der starken Wechselwirkung sagt viele erstaunliche Phänomene voraus, die auch
heute noch nicht vollständig verstanden und überprüft sind. Unter anderem sagt die Theorie die
Existenz einer neuartigen Form von Materie voraus, das Quark-Gluon-Plasma, das nur bei sehr
hohen Temperaturen oder extrem hohen Dichten existieren kann. Nach ihm wird experimentell
mit den größten Teilchenbeschleunigern, dem Large Hadron Collider in Genf in der Schweiz und
Schematische Darstellung der Größenverhältnisse von Atomen, Atomkernen, Hadronen wie dem Relativistic Heavy Ion Collider bei New York in den USA, gesucht. Theoretisch werden die
z.B. Proton und Neutron sowie Quarks Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas auf Supercomputern und spezialisierten Rechnern wie
dem unserer Arbeitsgruppe untersucht. So haben wir die Temperatur berechnet, bei der Protonen
und Neutronen aufbrechen und Quarkmaterie entsteht. Dies geschieht bei ca. 1000 Milliarden
Grad Celsius, einer Temperatur, die mehr als 300.000 mal größer ist als die unserer Sonne.
Die Bielefelder Arbeitsgruppe ist Mitglied in dem transregionalen Sonderforschungsbereich
Strong-Interaction Matter under Extreme Conditions (Bielefeld-Frankfurt-Darmstadt), in dem in
einer Vielzahl von Projekten ein breites Spektrum von Eigenschaften stark wechselwirkender
Materie untersucht wird. Ein weit gespanntes Netz von Kollaborationen, mit Forschergruppen in
China, Indien, Japan und den USA, ermöglicht auch schon in frühen Phasen des Studiums den
Kontakt und Erfahrungsaustausch in einem internationalen Umfeld.
Prof. Dr. Frithjof Karsch studierte Physik an der Universität
Bielefeld, wo er 1982 promovierte. Nach mehrjährigen
Forschungsaufenthalten in Genf und Urbana-Champaign
(Illinois, USA) ging er 1986 als wissenschaftlicher Mitarbeiter
zum Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf. Er
wurde 1990 als Professor für Theoretische Physik an die
Universität Bielefeld berufen. Prof. Karsch ist außerdem
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Brookhaven National
Laboratory in New York, USA, und Gastwissenschaftler an
der Central China Normal University in Wuhan, China.
Phasendiagramm der Kernmaterie: in Abhängigkeit von der Baryonendichte (= Dichte) und
der Temperatur kann Kernmaterie in unterschiedlichen Phasen auftreten – so wie z.B. Wasser.Beispiele für aktuelle Abschlussarbeiten
Riko Korzetz, Entwicklung eines Aufbaus zur Messung der
Sylvia Steinecker, Rasterkraftmikroskopie und Kraftspektroskopie Ionendiffusion durch Kohlenstoff-Nanomembranen, Master-
an Proteoglykanen der Seegurke Isostichopus badionotus, arbeit (2019): Um der drohenden Trinkwasserknappheit infolge des
Bachelorarbeit (2019): Seegurken können ihren Körper als Schutz Klimawandels entgegenzuwirken, ist die Erschließung zusätzlicher
gegen Fressfeinde aufgrund ihres besonderen Bindegewebes schnell Frischwasserquellen unabdingbar. Eine Option stellt die
in einen harten Zustand versetzen. Proteoglykane sind spezielle Aufbereitung von Meerwasser mittels nanostrukturierter Membranen
Biomoleküle, die dabei eine große Rolle spielen. Ich habe unter dar, welche Wasser und Meersalz energieeffizient voneinander
anderem Kraftwechselwirkungen zwischen diesen Biomolekülen mit trennen können. Meine Masterarbeit diente der Erforschung dieses
Hilfe der dynamischen Kraftspektroskopie am Rasterkraftmikroskop Trennverhaltens am Beispiel von Kohlenstoff-Nanomembranen.
aufgenommen.
Katharina Till, Single-molecule tracking of DNA repair proteins
Philipp Krause, Stability of black-widow pulsars, Bachelorarbeit and qualitative characterisation of laminar flow cells, Masterarbeit
(2019): Black-Widow-Pulsare sind ein interessantes Gebiet der (2019): DNA-Reparatur-Proteine entdecken und beheben
Radioastronomie! Diese Doppelsterne, in denen der Pulsar seinen Veränderungen in der DNA-Struktur, damit unsere Zellen gesund
Begleiter quasi „auffrisst“, gelten als instabil. Ich habe die orbitalen bleiben und Krankheiten wie Krebs möglichst nicht entstehen können.
Eigenschaften von zwei Black Widows untersucht und festgestellt, In meiner Arbeit konnte ich mittels Fluoreszenzmikroskopie
dass nicht jeder Black-Widow-Pulsar so chaotisch ist wie analysieren, wie sich einzelne Proteine an einem DNA-Strang entlang
angenommen. bewegen. Dadurch lernen wir, wie die DNA-Reparatur-Proteine
arbeiten und die Suche nach Veränderungen in der DNA-Struktur
funktioniert.
Patricia Päßler, CP-Verletzung aktiver Neutrinos, Bachelorarbeit Christian Eidecker, Theoretische Untersuchungen zur DNA-
(2019): Es gibt mehrere „Sorten“ von Neutrinos, welche sich Sequenzierung mittels Feldeffekttransistoren, Masterarbeit (2019):
ineinander umwandeln können. Findet diese Umwandlung für Ein wichtiger Baustein künftiger medizinischer Forschung ist die
Antineutrinos analog statt oder liegt eine Asymmetrie vor? Ich habe schnelle und günstige DNA-Sequenzierung für Patienten. Eine
mich neben den theoretischen Grundlagen dieser Fragestellung auch Möglichkeit hierzu liegt in der Analyse der Stromstärke, die durch die
mit der Möglichkeit einer experimentellen Untersuchung beschäftigt. DNA in leitfähigen Nanomaterialien sequenzabhängig modifiziert
Eine spannende Frage ist dabei, ob die vermutete Asymmetrie die wird. In meiner Masterarbeit habe ich ein Modell zur Simulation der
Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum erklären kann. Ströme in einem bestimmten System entwickelt.
Patric Hölscher, Gravitational Waves in Conformal Gravity, Ann-Christin Sprenger, Magnetokalorischer Effekt am Spin-1/2-
Promotion (2019): Die Allgemeine Relativitätstheorie als System, Bachelorarbeit Lehramt (2018): Thermodynamik ist die
Standardtheorie der Gravitation hat Probleme, Gravitationseffekte in Grundlage aller Wärmekraftmaschinen, d.h. sowohl von Kraftwerken
extremen Situationen zu beschreiben. Daher habe ich mich in meiner als auch von Kühlschränken. Für die Diskussion von Umweltfragen in
Doktorarbeit mit einer alternativen Gravitationstheorie, genannt der Schule ist dieses Hintergrundwissen unerlässlich. In meiner Arbeit
„Conformal Gravity“, beschäftigt. Diese Theorie habe ich anhand von habe ich die fundamentalen Relationen am Beispiel des
Gravitationswellen, die in den letzten Jahren gemessen werden magnetokalorischen Effektes untersucht, mit dessen Hilfe man z.B.
konnten, getestet und fand einen Parameterbereich der Theorie, der im Substanzen auf sehr tiefe Temperaturen unterhalb eines Kelvins
Hinblick auf eine konsistente Quantengravitationstheorie sehr abkühlen kann.
vielversprechend ist.Quanten-Chaos in der perfekten Flüssigkeit
Wie bewegen sich die fundamentalen Bestandteile von Materie aus der wir alle bestehen? Diese
Fragestellung wird derzeit in Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) untersucht, in
denen schwere Atomkerne mit bis zu 99,9999999 % der Lichtgeschwindigkeit miteinander
kollidieren. Dadurch werden für einen kurzen Zeitraum extreme Bedingungen – analog zu denen
im frühen Universum – hergestellt, bei denen die elementarsten Bausteine von Materie,
sogenannte Quarks und Gluonen, erstmals in nahezu freier Form als Quark-Gluon-Plasma
auftreten. Erstaunlicherweise verhält sich das Quark-Gluon-Plasma als eine geradezu ideale
Flüssigkeit, was sich anhand verschiedener experimenteller Observablen manifestiert. Da sich
diese Phänomene allerdings nur indirekt beobachten lassen, stellt sich weiterhin die Frage, was
tatsächlich auf mikroskopischer Ebene geschieht?
Die mikroskopische Dynamik wird durch die Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung,
die Quanten-Chromo-Dynamik (QCD) beschrieben. Diese sagt unter anderem voraus, wie die
Schematische Darstellung des Aufbaus von Materie am Beispiel eines Helium-Ballons.
elementaren Freiheitsgrade, also Quarks & Gluonen, miteinander wechselwirken um z.B. unter
normalen Bedingungen Protonen und Neutronen zu formen, oder unter extremen Bedingungen
zu einem Quark-Gluon-Plasma zu verschmelzen. Durch die enorme Komplexität der Theorie
gestaltet es sich allerdings nach wie vor schwierig, theoretische Vorhersagen z.B. für
Schwerionenexperimente direkt aus der QCD abzuleiten.
Die Arbeitsgruppe Nicht-Gleichgewichts-Quantenfeldtheorie & Hoch-Energie-QCD beschäftigt
sich mit der Entwicklung theoretischer Methoden, um die Dynamik komplexer Systeme, wie z.B.
einer Schwerionenkollision aus ersten Prinzipien zu beschreiben. Neben analytischen
Herleitungen mit Zettel und Stift, kommen hierbei auch verstärkt mikroskopische Simulationen
auf weltweit führenden Supercomputern zum Einsatz. Dadurch ist es uns z.B. erstmalig gelungen
ein theoretisches Verständnis der chaotischen Dynamik unmittelbar nach der Kollision zu
entwickeln. Diese Forschungsaktivitäten sind in den transregionalen Sonder-forschungsbereich
Strong-Interaction Matter under Extreme Conditions eingebunden, in dem gemeinsam mit
Kollegen an den Universitäten Bielefeld, Darmstadt und Frankfurt a.M. ein breites Spektrum von
Eigenschaften stark-wechselwirkender Materie untersucht wird.
Jun.-Prof. Dr. Sören Schlichting hat Physik an der
Durch die Kollisionen schwerer Atomkerne werden für einen Zeitraum von Technischen Universität Darmstadt und der Michigan State
ca. 10 fm/c ≈ 3x10-23 s Bedingungen erzeugt, bei denen sich die Dynamik elementarer University studiert und anschließend an der Universität
Bestandteile von Materie studieren lässt. Ein Schwerpunkt der Bielefelder Arbeitsgruppe liegt in Heidelberg in theoretischer Physik promoviert. Nach
der theoretischen Beschreibung der mikroskopischen Dynamik, insbesondere zu sehr frühen Forschungs-aufenthalten am Broohkaven National Lab und
Zeiten (“pre-equilibrium dynamics”). der University of Washington ist er seit September 2018 als
Junior Professor in Bielefeld tätig. Er beschäftigt sich mit der
Nicht-Gleichgewichts-Dynamik von Quantenfeldern und
hoch-energetischen Prozessen in der QCD.Your next generation fridge might be magnetic
Your refrigerator at home uses a cycle where a fluid is periodically compressed and expanded.
Such a thermodynamical cycle is able to transport heat (energy) from the inside to the outside
and thereby keeps your goods in the fridge cold. This would not work on a mission to Mars! The
reason is that the fluid assembles at the bottom of your fridge thanks to gravity. So how do you
keep your Coke cold on a long journey to Mars?
The solution is given by thermodynamical cycles that work with alternative media, for instance
magnetic materials. A magnetic material shows a funny effect: when you expose the magnetic
material to a magnetic field or you change this field, then the magnetic material changes its
temperature. This is called the magnetocaloric effect. It was discovered about a hundred years
ago. So why couldn’t you buy magnetic fridges yet?
Well, magnetic refrigerators exist already for a long time, but they are mainly used to reach sub-
Kelvin temperatures in physics laboratories. The production of fridges for everyday use – for
instance in your kitchen – needs the development of new materials. That is what our group works
on. We design new magnetic materials and test them to characterize and improve their properties
in order to build more efficient and thus environmentally friendlier refrigerators.
And you may be using waste heat to generate electricity to run it. Now, while a change in
magnetic field induces a change in temperature in these materials, the reverse is true: changing
their temperature will change the magnetic field they produce. Place a copper coil around the
material while you do that, and you generate an electric current!
That is the principle of an electric generator. The difference here is that instead of using
mechanical work to move a magnet, you use heat to change the field the magnet produces. By
direct inverse adjusting the properties of these materials, we can use almost any source of heat, including waste
heat which currently goes unused since it is not hot enough to produce steam.
MCE MCE
M M
-rSM +rSM Even if you won’t go to Mars, your next fridge might be magnetic and your energy may come
from waste heat (with materials from our lab)!
Prof. Dr. Luana Caron studied physics at the State University
of Campinas (Brazil), where she also did her Ph.D.. She then
worked as a postdoctoral fellow at Delft University of
T T Technology, Uppsala University and the Max Planck Institute
for Chemical Physics of Solids. She started her Junior
professorship this April. Join her! Her major topic is
Magnetic material (top) that shows a temperature change when exposed to an external magnetocaloric materials.
magnetic field (bottom).Leitfähige Isolatoren
In der Festkörperphysik wurden und werden immer wieder neue Materialien mit besonderen
Eigenschaften entdeckt, die man technisch nutzbar machen kann. Ein bekanntes Beispiel sind die
sogenannten Halbleiter, ohne die unsere heutige Computertechnologie nicht denkbar wäre. Ein
anderes Beispiel sind Supraleiter, die den Strom vollkommen verlustfrei leiten können, wenn
man sie unter eine bestimmte Temperatur abkühlt. In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir
sogenannte "topologische Isolatoren". Diese Materialien wurden vor ca. 10 Jahren entdeckt und
besitzen die Besonderheit, dass sie in ihrem Inneren isolierend sind, also keinen Strom leiten
können, während sie sich an der Oberfläche metallisch verhalten. Schickt man also einen Strom
durch einen topologischen Isolator, so fließt dieser an der Oberfläche des Materials entlang.
Eine weitere Besonderheit der topologischen Isolatoren besteht darin, dass die
Bewegungsrichtung der Elektronen an der Oberfläche mit ihrem magnetischen Moment
gekoppelt ist. Diese Besonderheit erlaubt es, die Ströme mit Hilfe von Magnetismus zu steuern
und zu lenken. In unserer Theoriegruppe untersuchen wir, wie man daraus neuartige Konzepte
für elektronische Bauelemente entwickeln kann. So kann man Bauelemente konstruieren, die
reine Spinströme generieren, lenken und detektieren können. Wir untersuchen auch, ob sich
möglicherweise neuartige Speicher mit den topologischen Isolatoren realisieren lassen.
Schematische Darstellung von Topologischen Isolatoren (blau), die magnetisch dotiert wurden
(gelb). Mit Hilfe der magnetischen Bereiche ist es möglich, Elektronenströme mit
unterschiedlicher Spinausrichtung (rot und grün) gezielt zu lenken. Prof. Dr. Thomas Dahm hat an der Universität Hamburg
Physik studiert und promoviert. Nach Forschungs-
aufenthalten in den USA, Japan und England ist er seit 2011
Professor in Bielefeld. In seiner Forschung befasst er sich mit
ungewöhnlichen Zuständen der Materie, wie Supraleitern,
Bose-Einstein-Kondensaten und topologischen Isolatoren.Experimente mit einzelnen Molekülen – Nanobiophysik
Mechanik und Biomedizin – wie passt das zusammen? Und dann noch mechanische Experimente
mit einem einzelnen Molekül? Gerade in der Biophysik kennen wir viele Beispiele, wo dieses
Wechselspiel erfolgreich von der Natur umgesetzt worden ist. Im Herz, einem Hohlmuskel, wird
durch mechanische Kontraktion ein effizientes und ermüdungsfreies Pumpen von Blut
sichergestellt. Aber auch die mechanische Stabilität und Festigkeit der einzelnen Zelle wird durch
den Aufbau des sogenannten Zytoskeletts – einem Proteingerüst – ermöglicht. Letzteres ist von
großer Bedeutung, wenn wie oben dargestellt, Zellen mechanische Beanspruchungen erfahren,
oder diese sich dynamisch durch den Körper bewegen, wie beispielsweise bei der Tumor-
Metastasierung. Neben der Erforschung der grundlegenden molekularen Mechanismen sind
natürlich besonders die von Interesse, wo beispielsweise durch eine genetische Mutation eine
Erkrankung vorliegt.
In der Biophysik erforschen wir nun mittels höchstempfindlicher mikroskopischer Methoden wie
die Moleküle aussehen (Struktur), welche mechanischen Eigenschaften sie besitzen (Elastizität)
und wie sie miteinander kommunizieren (Funktion). Die erhaltenen Resultate können mit
Strukturmodellen interpretiert und die Bindung mittels mathematischer Modelle erklärt werden.
Dies ergibt ein präzises Bild für die in einer Zelle ablaufenden Prozesse und erlaubt tiefgehende
Einsichten darüber, was zum Beispiel bei der Mutation falsch läuft und eine Krankheit
verursacht.
Solche abbildenden und kraftspektroskopischen Einzelmolekülexperimente können mittels der
Rasterkraftmikroskopie und optischer oder magnetischer Pinzetten durchgeführt werden. Diese
Methoden entwickeln wir in unserer Arbeitsgruppe stetig weiter, was neben den
biophysikalischen Einsichten viel physikalisch-technisches Knowhow (Hardware und Software)
voraussetzt. Daneben untersuchen wir aber auch, wie sich Makromoleküle durch mikro- und
nanostrukturierte Kanalstrukturen bewegen (z.B. molekulare Dynamik in Nanoporen). Damit
entwickeln wir neue und höchstempfindliche Methoden für die Analytik und Diagnostik.
Prof. Dr. Dario Anselmetti hat Physik an der Universität Basel
studiert, wo er auch im Jahr 1990 auf dem Gebiet der
Nanowissenschaften promovierte. Nach einem Forschungs-
aufenthalt am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon und einem
mehrjährigen Aufenthalt in der Industrie, wechselte er im Jahr
2000 an die Universität Bielefeld, wo er seither auf dem Gebiet der
Experimentalphysik mit besonderem Schwerpunkt auf
Biologischer Physik und Nanowissenschaften lehrt und forscht.
Dario Anselmetti ist Initiator des Schülerlabors teutolab-PHYSIK,
Gründungsmitglied des Bielefeld Institute for Biophysics and
Vor dem Hintergrund einer atomaren Siliziumlandschaft (A) bearbeiten wir mit der Nanosciences (BINAS) und ordentliches Mitglied der Nordrhein-
Rastertunnelmikroskopie (B) und der Rasterkraftmikroskopie (C) Fragestellungen zur Struktur Westfälischen Akademie für Wissenschaften und Künste.
von Biomolekülen (D) und deren Wechselwirkung (E). Daneben werden auch vielfältige
Einzelmolekülexperimente mit optischen und magnetischen Pinzetten (F) oder mikrofluidischen
Chipsystemen (G) durchgeführt.Pulsars make the light go round
Neutron stars are balls of neutrons that are left behind by the supernova explosions of massive
stars. More specifically, neutron stars are about as big as a city (around 20 km in diameter) and
weigh just more than the Sun (about 40% more, typically). That makes them the densest objects
in the Universe – with the obvious exception of black holes.
Because of some remaining electrons in the superfluid interior of these stars, they often have an
incredibly strong magnetic field – a billion billion times stronger than the magnetic field of Earth.
At the magnetic poles, this field is strongly curved, which causes electrons in the neutron star's
atmosphere to be deflected. This deflection (which is really an acceleration) causes photons to be
emitted. In other words: these left-overs from stars that died a long time ago, still shine ... but
only in two tight beams of radiation, coming from the magnetic poles.
A final odd feature about neutron stars is that they rotate extremely rapidly. While the Earth spins
around once a day, a typical neutron star does the same once every second – and some extreme
neutron stars even rotate hundreds of times per second, i.e. as fast as your typical kitchen blender!
This rotation causes the beams of radiation to be swept around in space, just like the radiation
emitted by a light house. It is because of this "lighthouse effect", that we receive a pulse of light
every rotation. Such odd pulsed emission is rare in astronomy and hence these stars are also
known as "pulsars".
At Bielefeld University, we use observations of pulsars made by all the major radio telescopes in
the world, to try and learn about aspects of physics and astronomy that cannot be tested in the
lab. Specifically, we use these precise and regular pulses of emission to carry out highly precise
tests of gravitational theories, or even to detect gravitational waves. For pulsars in binary systems
(we know a few hundred of those), we can use the pulses to measure the properties of the binary,
LOFAR station with antennas and structure of a neutron star. including its distance, size, orientation and the masses of the stars in the system. This teaches us
about stellar populations and dynamics in the Milky Way Galaxy. We can also use these pulses
to study the electron clouds that pervade the space between the stars – this we can do particularly
well with the Low-Frequency Array (LOFAR), of which Bielefeld University owns a piece. We
Prof. Dr. Joris Verbiest obtained a BSc in aerospace can also use those pulse trains to try and figure out exactly how neutron stars create
engineering at the TU Delft in the Netherlands, an MSc in electromagnetic waves because careful observations have shown that not all pulsars are equal –
radio astronomy engineering at Chalmers UT in Sweden and a and some do really weird things which are not fully understood, even now, 50 years after these
PhD in astronomy at Swinburne University in Australia. objects were first discovered.
Subsequently he was a researcher in West Virginia (USA) and
Bonn before coming to Bielefeld University. His main
research focus is low-frequency studies of pulsars and Galactic
electron clouds. Through these studies, he contributes to global
efforts to detect gravitational waves that originate in
supermassive black-hole binaries in the distant Universe.Sie können auch lesen
